CN209993599U - 逻辑存储器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种逻辑存储存储器件及其制作方法，所述逻辑存储器存储件包括：衬底，用于承载所述逻辑存储存储器件；多铁层，所述多铁层用于产生磁电耦合效应，所述多铁层上还包括电极，以及分别位于所述多铁层与所述衬底之间和所述多铁层与所述电极之间的第一缓冲层和第二缓冲层；干涉层，包括波导区域和输出端，所述干涉层具有旋磁效应；保护层，位于干涉层的上方，保护所述干涉层；其中，所述逻辑存储存储器件通过所述多铁层的磁电耦合调控所述干涉层以实现逻辑存储功能。相比于传统的半导体器件和逻辑存储存储电路，本申请能够有效解决热损耗及静态功耗问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及逻辑存储器件技术领域，具体地涉及一种基于自旋波干涉的逻辑存储器件。
背景技术
逻辑存储器件是组成电子计算机所需的各种逻辑存储功能电路的重要组成单元，逻辑存储器件性能的优良决定了整个逻辑存储电路的可靠性。随着集成度增高，元器件的尺寸降低至纳米量级，信息处理和传输单元的小型化对低功耗的要求愈加迫切。而传统的基于硅的逻辑存储器件，由于载体电子或空穴在移动的过程中会不可避免的发生能量耗散，并且随着器件尺寸的降低，能量损耗更加严重，因此已经不能满足最小化功耗的要求。
自旋波，或称为磁振子，是指在磁有序材料中电子自旋的集体振动的本征模式。可以利用自旋波传播及干涉过程中所携带的相位信息及其变化作为信息载体从而实现数据的传输和逻辑存储计算以降低能量损耗。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种逻辑存储器件，以解决现有技术中能耗高，依赖载流子的迁移效应，无法有效解决热损耗及静态功耗的问题。
一方面，本实用新型提供一种逻辑存储器件，包括：
衬底，用于承载所述逻辑存储器件；
多铁层，所述多铁层用于产生电场，所述多铁层上还包括电极，以及分别位于所述多铁层与所述衬底之间和所述多铁层与所述电极之间的第一缓冲层和第二缓冲层；
干涉层，包括波导区域和输出端，所述干涉层具有旋磁效应；
保护层，位于干涉层的上方，保护所述干涉层；
其中，所述逻辑存储器件通过所述多铁层的电场调控所述干涉层以实现逻辑存储功能。
优选地，干涉层的波导区域与输出端之间包括环形结构，所述环形结构包括两条对称的圆环弧形支路。
优选地，环形结构与所述电场的方向垂直。
优选地，多铁层电极为逻辑存储输入端，所述干涉层输出端为逻辑存储输出端，所述逻辑存储输入为0，无电场调控，所述逻辑存储输出为1；所述逻辑存储输入为1，在所述多铁层的电场调控下，所述逻辑存储输出为0。
优选地，所述衬底的材料包括钆镓石榴石；
所述多铁层至少包括以下材料中的任意一种：BiFeO3、GaFeO3、 BiCrO3、TbMnO3、Bi2FeCrO6、BiMnO3、HoMn2O5、HoMn2O5、YbMn2O5、 ScMn2O5、YMn2O5、GaMn2O5、DyMn2O5、ErMn2O5、HoMnO3、YbMnO3、 ScMnO3、YMnO3、GaMnO3、DyMnO3、ErMnO3，所述多铁层厚度为50-150nm；
所述干涉层的材料包括Y3Fe5O12、坡莫合金中的至少一种，所述干涉层厚度为50-60nm。
所述第一缓冲层和第二缓冲层的材料为SrTiO3或LaAlO3中的至少一种，所述第一缓冲层和第二缓冲层厚度为1-10nm；
所述电极的材料为Pt、W、Ta中的至少一种，电极厚度为3-8nm；
所述保护层的材料为Pt、W、Ta中的至少一种，保护层厚度为5- 20nm。
优选地，干涉层上包括另一组电极，分别与所述波导区域和所述输出端相对应。
根据本实用新型的另一方面，还提供一种上述逻辑存储器件的制作方法，包括：
对衬底进行清洁；
在清洁后的衬底上形成第一缓冲层；
在第一缓冲层上形成多铁层；
在多铁层上形成一组电极；
在所述多铁层上形成所述干涉层；
在所述干涉层上形成另一组电极；
在所述干涉层上形成保护层。
优选地，衬底采用超声波进行清洁，所述缓冲层和保护层均采用磁控溅射形成，所述电极层通过磁控溅射和电子束曝光形成，所述多铁层和所述干涉层通过激光脉冲沉积形成。
优选地，多铁层激光脉冲沉积工艺中，沉积室本底真空度需高于 10-4Pa，溅射时氧气压为1-10Pa，沉积温度为700-750℃，沉积时能量为100-400mJ,沉积时激光频率为1-5Hz，脉冲数为100-3000脉冲。
优选地，干涉层激光脉冲沉积工艺中，沉积室本底真空度需高于 10-4Pa，溅射时氧气压为1-10Pa，沉积温度为室温，沉积时能量为 100-400mJ,沉积时激光频率为1-5Hz，脉冲数为100-1500脉冲。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的基于自旋波干涉及电场调控的多铁性材料的逻辑存储器件，通过电场调节控制自旋波的相位和振幅，将自旋波作为信息传输的载体，通过干涉作用完成逻辑存储运算功能。相比于传统的半导体器件和逻辑存储电路，本实用新型能够有效解决热损耗及静态功耗问题。本实用新型采用共面波导设计，可有效增强自旋波的强度，且传输介质具有低损耗特性，能够更大程度上保证自旋波的稳定存在，同时减小了信号探测和分析的难度。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了本实用新型实施例的逻辑存储器件的示意图。
图2示出了本实用新型实施例中多铁层和干涉层的俯视图。
图3a、3b、3c示出了本实用新型实施例逻辑存储器件的输入输出示意图及其真值表。
图4a至4d示出了本实用新型实施例中逻辑存储器件的制作流程。
具体实施方式
以下公开为实施本申请的不同特征提供了许多不同的实施方式或实例。下面描述了部件或者布置的具体实施例以简化本实用新型。当然，这些仅仅是实例并不旨在限制本实用新型。
此外，在说明书和权利要求书中，术语“第一”、“第二”等用于在类似元素之间进行区分，而未必描述时间顺序、空间顺序、等级顺序或者任何其他方式的顺序、应当理解，如果使用的这些术语在适当的环境下可互换，并且此处描述的本实用新型的实施例能够以本文描述或示出以外的其他顺序来操作。
应当注意，在权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限于下文所列出的手段，它并不排除其他元件或步骤。由此，它应当被解释为指定如涉及的所述特征、数字、步骤或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、数字、步骤或部件、或者其组合的存在或添加。因此，措词“包括装置A和B的设备”的范围不应当仅限于仅由组件A和B构成的装置。这意味着相对于本实用新型而言，设备的相关组件是A 和B。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
类似地，应当理解，在本实用新型的示例性实施例的描述中，处于使本实用新型公开流畅且有助于理解各实用新型性方面的一个或多个方面的目的，本实用新型的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图、或者对实施例和附图的描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映所要求保护的实用新型需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求反映的，实用新型性方面在于，比单个以上公开的实施例的所有特征少。由此，具体实施方式之后的权利要求被明确地结合到该具体实施方式中，其中每项权利要求独立地代表本实用新型的一个单独的实施例。
此外，尽管此次描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，不同实施例的特征的组合意图落在本实用新型的范围内，并且形成将按本领域技术人员理解的不同实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求的实施例中的任何一个可以任何组合使用。
应当注意的是，在描述本实用新型的特定特征或方面时所使用的特定术语不应该被认为是暗示了该术语是此次被重新定义来限制为包括与本术语相关联的本实用新型的特征或方面的任何特定特性。
在此次提供的描述中，阐述了多个具体细节。然而应当理解，本实用新型的实施例没有这些具体细节的情况下实践。在其他实施例中，为了不妨碍对本说明书的理解，未详细地示出公知方法、结构和技术。
本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
本实用新型提出一种基于自旋波干涉及多铁材料的逻辑存储器件，多铁材料是指同时具有铁电性、铁磁性、铁弹性中两种或两种以上的性质的单相化合物。多铁材料在一定温度范围内具有自发极化和自发磁化，两种性能的同时存在会引起磁电耦合效应，即电极化和磁化之间的相互调控。多铁性材料的物理效应是：铁电极化对外部磁场的响应，以及自旋磁矩对外部电场的响应，即共存的磁性和铁电性之间存在耦合效应，从而实现磁性和铁电性间的互相调控。单相铁磁铁电多铁性材料打破了传统的电磁耦合方式，使人们可以通过施加外加电场的方式对材料的磁极化产生影响。在多铁材料中，电场E和磁场H分别引起电极化P 和磁化强度M，并且多铁材料中P和M之间存在的磁电耦合效应。磁电耦合效应是指电极化强度和磁化强度之间相互调控，即磁场H可以诱发电极化P，反之，电场E可以诱发磁化强度M。本实用新型中材料的磁化强度通过施加外部电场来控制。
在多铁材料研究中，磁电耦合效应非常重要，通过Landau理论进行自由能的展开，可以得到公式(1)。在外部电场作用下，磁电可实现相互调控。单相磁电多铁材料同时具有铁磁有序和铁电有序，利用两者之间的相互作用，可以用电场诱导磁场或者磁场诱发极化。
在铁电半导体材料中施加电场，电场极化后在体内产生很大的电场，表面有极化电荷，磁化强度方向随着电场的变化呈现回滞曲线，表面电与磁之间存在耦合。当载流子聚集时，自发磁化的磁矩受电场作用沿着同一方向，磁化强度增大；当载流子耗散时，自发磁化的磁畴又回到杂乱的状态，磁化强度变小。铁酸铋(BiFeO3)是反铁磁性材料，在铁酸铋和石榴石型铁氧体的界面处存在磁层间交换偏置效应，可以钉扎石榴石型铁氧体中的磁矩。
图1示出了本实用新型实施例的逻辑存储器件的示意图。逻辑存储器件100包括：衬底110、多铁层120、干涉层130、第一缓冲层140、第二缓冲层150、电极160、保护层170。
其中，衬底110、多铁层120、干涉层130从下至上依次堆叠而成，所述第一缓冲层位于所述多铁层120与所述衬底110之间，所述多铁层上还包括一组分别位于左右两侧的电极160，优选地，所述电极 160与所述多铁层120之间具有第二缓冲层150。
所述衬底110例如为GGG衬底，即钆镓石榴石衬底。
所述多铁层120例如为由单相多铁材料制成单相多铁氧化物薄膜，如BiFeO3、GaFeO3、BiCrO3、TbMnO3、Bi2FeCrO6、BiMnO3、 HoMn2O5、HoMn2O5、YbMn2O5、ScMn2O5、YMn2O5、GaMn2O5、DyMn2O5、 ErMn2O5、HoMnO3、YbMnO3、ScMnO3、YMnO3、GaMnO3、DyMnO3、ErMnO3，。厚度约为50-150nm。
所述干涉层130例如为Y3Fe5O12、坡莫合金中的至少一种，厚度约为50-60nm。优选地，所述干涉层130包括另一组电极(图中未示出)，分别与所述波导区域和所述输出端相对应，通过电流或STT等方式激发YIG波导区域中的磁振子，由磁振子产生自旋波并在YIG中运输。
在衬底110和多铁层120之间、多铁层120和电极160之间以及干涉层130和另一组电极之间需要加入缓冲层，所述缓冲层材料例如为 SrTiO3(STO)或LaAlO3(LAO)，厚度约为1-10nm。
所述保护层170覆盖所述干涉层130的顶部，材料例如为Ta，厚度约为5-20nm。
所述电极160及另一组电极材料例如为Au、Cu、Pt等材料制成，厚度约为3-8nm。其中在多铁层两侧的电极160，是为了通电产生电场，利用多铁性材料的磁电耦合效应，通过电场调节多铁层中的磁矩。在干涉层两侧的另一组电极，是为了通过测量电压来探测干涉层中的自旋波是否发生变化。
本实用新型采用衬底/缓冲层/多铁层/干涉层/保护层的结构，利用磁电耦合效应通过外加电场调控单相多铁氧化物中的磁矩，进而利用多铁层和干涉层之间的交换偏置钉扎效应调控干涉层中的磁矩。以实现干涉层中磁矩的反转。进而利用相长干涉和相消干涉实现自旋波/磁振子逻辑存储输入端对逻辑存储输出端的逻辑存储控制。
图2示出了本实用新型实施例中多铁层和干涉层的俯视图。干涉层 130包括波导区域131、环形结构132和输出端133，环形结构132包括上弧形支路1321和下弧形支路1322。多铁层120位于所述环形结构 132的下方。
波导区域131用来产生自旋波，利用干涉仪将左侧的单体自旋波分裂为慢波结构，并将它们传播到上弧形支路1321和下弧形支路1322 中。利用多铁层120产生垂直分布在上下两个支路之间的电场。
图3a、3b、3c示出了本实用新型自旋波/磁振子实施例逻辑存储器件的输入输出示意图及其真值表。从图中可以看出在无电场调控下，表示为逻辑存储输入0即I＝0，在左侧产生的慢波结构在右侧因缺少振幅和相位上的不同，而呈现相长干涉(在波的叠加原理中，若两波的波峰 (或波谷)同时抵达同一地点，称两波在该点同相，干涉波会产生最大的振幅，称为相长干涉)，当逻辑存储输入1即I＝1。产生电场影响，在电场调控下，在左侧产生的慢波结构在右侧存在相位差异，所以呈现相消干涉，逻辑存储输出为0。最终的逻辑存储功能如图3c中的真值表所示。
图4a至图4d示出了本实用新型实施例中逻辑存储器件的制作流程。
如图4a所示，对衬底110进行清洁并在清洁后的衬底110上形成第一缓冲层140。衬底110的处理例如为将所使用的衬底110用酒精超声波清洗三次，每次十分钟，最后用去离子水清洗。第一缓冲层140采用磁控溅射法制成，通过放样，抽真空，电磁溅射，取样四个步骤。溅射室本底真空度须高于10-5Pa，溅射温度为室温，溅射气压为0.1- 1.5Pa，制备缓冲层的薄膜厚度约为1-10nm。后续缓冲层的制备方法与第一缓冲层类似，不再赘述。
如图4b所示，在第一缓冲层140上形成多铁层120，并在多铁层 120上形成一组电极160，并在电极160与多铁层120之间制备相应的第二缓冲层150。制作多铁层例如使用钙钛矿型化合物ABO3(如 BiFeO3)或稀土锰氧化物(RMnO3，R为稀土元素，RMnO3例如为YMnO3或BiMnO3)，基本方法为激光脉冲沉积，通过放样，抽真空，加热，激光脉冲，冷却取样五个步骤。沉积室本底真空度须高于10-4Pa，溅射时氧气压为1Pa-10Pa，沉积温度为700-750℃，沉积时能量为100mJ -400mJ,沉积时激光频率为1-5Hz，脉冲数为100-3000脉冲，制备的多铁层薄膜厚度例如为50nm-150nm。制作电极160采用磁控溅射加电子束曝光，例如为Pt材料的电极160，通过放样，抽真空，电磁溅射，取样四个步骤完成磁控溅射。溅射室本底真空度须高于10-5Pa，溅射温度为室温，溅射气压为0.1-1.5Pa，制备电极薄膜厚度约为 5nm。电子束曝光：将基片进行超声波清洗后分别进行涂胶和加热，用电子束直写系统进行电子束曝光，显影定影，用氩离子束刻蚀除去没有光刻胶保护的Pt薄膜，再利用磁控溅射的方法进行绝缘层填埋，最后将被绝缘层填埋的样品经过丙酮浸泡和超声波清洗除去结区的光刻胶和绝缘层。
如图4c所示，在所述多铁层120上形成所述干涉层130，并在所述干涉层130上形成另一组电极(图中未示出)。制作干涉层采用脉冲激光沉积法，通过放样，抽真空，加热，打激光，冷却取样五个步骤。沉积室本底真空度须高于10-4Pa，溅射时氧气压为1Pa-10Pa，沉积温度为室温，沉积时能量为100mJ-400mJ，沉积时激光频率为1-5Hz，脉冲数为100-1500脉冲，制备的干涉层厚度为50nm-60nm。制作另一组电极采用磁控溅射加电子束曝光，例如为Pt电极，通过放样，抽真空，电磁溅射，取样四个步骤完成磁控溅射。溅射室本底真空度须高于10-5Pa，溅射温度为室温，溅射气压为0.1-1.5Pa，制备电极薄膜厚度约为5nm。电子束曝光：将基片进行超声波清洗后分别进行涂胶和加热，用电子束直写系统进行电子束曝光，显影定影，用氩离子束刻蚀除去没有光刻胶保护的Pt薄膜，再利用磁控溅射的方法进行绝缘层填埋，最后将被绝缘层填埋的样品经过丙酮浸泡和超声波清洗除去结区的光刻胶和绝缘层。
如图4d所示，在所述干涉层130上形成保护层170。制备保护层 170采用磁控溅射法，通过放样，抽真空，电磁溅射，取样四个步骤。溅射室本底真空度须高于10-5Pa，溅射温度为室温，溅射气压为0.1- 1.5Pa，制备保护层厚度约为5-20nm。
优选地，所述衬底的材料例如为钆镓石榴石；所述多铁层至少包括以下材料中的任意一种：BiFeO3、GaFeO3、BiCrO3、TbMnO3、 Bi2FeCrO6、BiMnO3、HoMn2O5、HoMn2O5、YbMn2O5、ScMn2O5、 YMn2O5、GaMn2O5、DyMn2O5、ErMn2O5、HoMnO3、YbMnO3、ScMnO3、 YMnO3、GaMnO3、DyMnO3、ErMnO3；所述干涉层的材料包括Y3Fe5O12；所述第一缓冲层和第二缓冲层的材料为SrTiO3或LaAlO3中的至少一种；所述电极的材料为Pt、W、Ta中的至少一种；所述保护层的材料为 Pt、W、Ta中的至少一种。
本实用新型提供的基于自旋波干涉及电场调控的多铁性材料的逻辑存储器件，通过电场调节控制自旋波的相位和振幅，将自旋波作为信息传输的载体，通过干涉作用完成逻辑存储运算功能。相比于传统的半导体器件和逻辑存储电路，本实用新型能够有效解决热损耗及静态功耗问题。本实用新型采用共面波导设计，可有效增强自旋波的强度，且传输介质具有低损耗特性，能够更大程度上保证自旋波的稳定存在，同时减小了信号探测和分析的难度。
上述实施例只是本实用新型的举例，尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (7)
1.一种逻辑存储器件，其特征在于，包括：
衬底，用于承载所述逻辑存储存储器件；
多铁层，所述多铁层用于产磁电耦合，所述多铁层上还包括电极，以及分别位于所述多铁层与所述衬底之间和所述多铁层与所述电极之间的第一缓冲层和第二缓冲层；
干涉层，包括波导区域和输出端，所述干涉层具有旋磁效应；
保护层，位于干涉层的上方，保护所述干涉层；
其中，所述逻辑存储器件通过所述多铁层的磁电耦合调控所述干涉层以实现逻辑存储功能。
2.根据权利要求1所述的逻辑存储器件，其特征在于，所述干涉层的波导区域与输出端之间包括环形结构，所述环形结构包括两条对称的圆环弧形支路。
3.根据权利要求2所述的逻辑存储器件，其特征在于，所述环形结构与电场的方向垂直。
4.根据权利要求1所述的逻辑存储器件，其特征在于，所述多铁层电极为逻辑存储输入端，所述干涉层输出端为逻辑存储输出端，所述逻辑存储输入为0，无电场调控，所述逻辑存储输出为1；所述逻辑存储输入为1，在所述多铁层的电场调控下，所述逻辑存储输出为0。
5.根据权利要求1所述的逻辑存储器件，其特征在于，
所述衬底的材料包括钆镓石榴石；
所述多铁层至少包括以下材料中的任意一种：BiFeO3、GaFeO3、BiCrO3、TbMnO3、Bi2FeCrO6、BiMnO3、HoMn2O5、HoMn2O5、YbMn2O5、ScMn2O5、YMn2O5、GaMn2O5、DyMn2O5、ErMn2O5、HoMnO3、YbMnO3、ScMnO3、YMnO3、GaMnO3、DyMnO3、ErMnO3，所述多铁层厚度为20-150nm；
所述干涉层的材料包括Y3Fe5O12、坡莫合金中的至少一种，所述干涉层厚度为50-60nm；
所述第一缓冲层和第二缓冲层的材料为SrTiO3、LaAlO3、BaTiO3和CaTiO3中的至少一种，所述第一缓冲层和第二缓冲层厚度为1- 10nm；
所述电极的材料为Pt、W、Ta中的至少一种，电极厚度为3-8nm；
所述保护层的材料为Pt、W、Ta中的至少一种，保护层厚度为5-20nm。
6.根据权利要求1所述的逻辑存储器件，其特征在于，所述干涉层上包括另一组电极，分别与所述波导区域和所述输出端相对应。
7.根据权利要求1所述的逻辑存储器件，其特征在于，所述衬底采用超声波进行清洁，所述缓冲层和保护层均采用磁控溅射形成，所述电极通过磁控溅射和电子束曝光形成，所述多铁层和所述干涉层通过激光脉冲沉积形成。
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